專有線橋梁橋式方案研究

茍小曼

某大橋，位于廣西百色地區(qū)境內(nèi)，是跨越某江的一座礦專用運輸橋梁。之前該礦的運輸主要采用早期的修建的一條礦山公路，而且社會上地方運輸也共用該道路。近年來，隨著社會、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會運輸車輛、石灰、其他物資、人員通行等車輛日益增多，現(xiàn)有這條礦山公路負(fù)荷日益加重，同時所有車輛在生活區(qū)內(nèi)通過，給周圍環(huán)境和人們的生產(chǎn)安全也帶來了更多的隱患。而且，該公路上跨越某江的橋梁僅有一座，雙車道，現(xiàn)日通行車輛數(shù)已超過20000車次。其中運礦的大型車輛約1000車次。高峰時段，其實際過橋車輛超出設(shè)計的通行能力，加之客、貨車混行，行車安全日顯突出，交通事故發(fā)生比較頻繁。為解決制約交通咽喉的擁堵和影響運輸?shù)钠款i難題，急需新建一座新橋改變現(xiàn)有礦山的運礦方式，緩解交通壓力和改善當(dāng)?shù)丨h(huán)境質(zhì)量。

1 概述

1.1 橋址處自然情況

橋位位于廣西百色境內(nèi)，橋址區(qū)為一個東西長15km，南北寬2.5km的狹長山谷準(zhǔn)平原。線路以直線跨某江，與河道成62.66°。大橋布置在直線上。橋址所在河段河面寬約110m，最枯流量約23m3/s，最大流量7140m3/s，年平均流量442m3/s。橋址處百年一遇洪水位約為98.5m，20年一遇洪水位約為93.4m。歷史最高洪水位為98.52m，最低枯水位為75m。水位豐水期和枯水期漲落幅度在20m左右。地區(qū)年平均氣溫為21.5℃，年平均最低氣溫為18.0℃，年平均最高氣溫為26.4℃，極端最低氣溫為-1.3℃，極端最高氣溫為40.9℃。平均相對濕度81%，最小相對濕度為4%。年平均風(fēng)速1.5m/s，最大風(fēng)速28m/s，靜風(fēng)頻率39%。場區(qū)的抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，設(shè)計基本地震加速度值為0.10g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35s。因受某江大斷裂強(qiáng)烈破壞，形成一系列大致平行的較為緊密的褶皺，工程地質(zhì)較為復(fù)雜，屬裸露型巖溶區(qū)，溶洞、溶溝、暗河比較發(fā)育。地層主要為人工堆積層（Q4ml）、下統(tǒng)羅蘭組（T1L）灰?guī)r，第四系全新統(tǒng)沖洪積（Q4al+pl）。

1.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）膠帶機(jī)設(shè)備

大橋為膠帶機(jī)跨越某江而設(shè)置。大橋主要承受的荷載為自重、風(fēng)力、溫度、膠帶機(jī)荷載、安裝及檢查人員荷載。其中膠帶機(jī)荷載根據(jù)設(shè)備廠家提供的資料，縱橋向按間隔3m布置一組支腿，每組支腿對基礎(chǔ)的壓力為12.6kN。膠帶機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

（2）建筑限界：根據(jù)設(shè)備廠家提供要求，高約165cm，寬約277cm，如圖1所示。

2 總體設(shè)計

橋式方案的確定，應(yīng)首先初步擬定主橋孔徑跨度，掌握橋梁設(shè)計的控制因素。按照線路規(guī)劃，線路以直線跨某江，大橋縱軸線與河道成63°。在大橋小里程端，大約線路CK2+380附近，設(shè)有縱坡變坡點，縱坡為14%。大橋按平坡設(shè)計。線路設(shè)計標(biāo)高滿足某江通航凈空加上橋梁結(jié)構(gòu)高度要求。

表1 膠帶機(jī)主要參數(shù)表

圖 1 建筑限界（單位：cm）

2.1 橋梁跨度的確定

由于大橋橋址位于某江呈“U”字形拐彎處，且受下游大約9km處某水利樞紐的影響，大橋孔跨布置，重點需放在適應(yīng)航道的變化上，同時考慮船舶的習(xí)慣航線并兼顧河道形態(tài)、主河槽深泓位置等因素，采用大跨度以滿足通航要求，另外還需考慮減少橋梁施工及運營期間對航道及水流的影響，解決好通航與防洪影響問題。

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》第6.2.1條的規(guī)定：不受潮汐影響和潮汐影響不明顯的河段，設(shè)計通航水位應(yīng)選用規(guī)定的各級洪水重現(xiàn)期的水位，其中Ⅲ級航道對應(yīng)的洪水重現(xiàn)期為20年一遇。而且經(jīng)查閱相關(guān)資料，大橋橋位下游約200m處的人行拱橋的設(shè)計最高通航水位為93.39m。下游約9km處的某既有鐵路和在建的某鐵路大橋的最高通航水位為93.4m。因此，考慮大橋的設(shè)計最高通航水位為93.39m。

另外，根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)要求，Ⅲ-（3）級航道上跨河建筑物的通航凈高應(yīng)大于10m，側(cè)高應(yīng)大于6m；按單孔雙向通航設(shè)計時，最小通航凈寬為110m，上底寬96m。因橋軸線法向與水流方向的交角為27度，經(jīng)計算后，最小通航凈寬為123.5m。

因此，橋梁跨度按不小于124m設(shè)計，凈空按單孔雙向通航、凈高按不小于最高通航水位以上10m考慮。

2.2 橋式方案的選擇

結(jié)合橋位處具體特點，主河槽范圍內(nèi)橋式選擇的總體思路為：盡可能采用一跨過江的結(jié)構(gòu)，避免在河中設(shè)置墩柱，減小對航道及水流的影響。另外，由于受線路走向的影響，在大橋的小里程端設(shè)有14%的縱坡變坡點，給大橋邊跨的設(shè)置帶來了較大的困難，基本剔除了大橋設(shè)置為連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)的可能性。另外，橋式方案的選擇應(yīng)充分考慮景觀效果，在空曠的河道內(nèi)，橋梁結(jié)構(gòu)與周圍環(huán)境比較相對較小，因此橋梁應(yīng)突顯輪廓美，主河槽范圍內(nèi)橋梁宜形成整體規(guī)模?？紤]到鋁土礦及設(shè)備荷載相對較輕，為了方便施工且縮短工程周期，宜優(yōu)先選擇鋼結(jié)構(gòu)橋梁。

基于上述分析，主橋橋型選擇了下承式簡支鋼桁梁和中承式鋼管拱橋兩種橋式進(jìn)行比較分析。

3 橋式方案比選

3.1 方案一：下承式簡支鋼桁梁方案

方案一采用1-144m下承式簡支鋼桁梁，如圖2所示。鋼梁主桁采用三角形桁架，兩片主桁間距4.5m，桁高8m，節(jié)間長12m。

主桁采用焊接整體節(jié)點結(jié)構(gòu)形式，材質(zhì)Q345qC。上、下弦桿均采用箱形截面，腹板及聯(lián)結(jié)系采用工字型截面。橋面系采用鋼正交異性板橋面，下設(shè)梯形閉口肋，沿橋縱向每個節(jié)間設(shè)3道次橫梁和2道主橫梁；支座處設(shè)一道箱形端橫梁。

橋墩采用圓端形鋼筋混凝土實體橋墩截面尺寸縱向為300cm，橫向為800cm。主墩基礎(chǔ)采用明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)。

施工方法：在大橋小里程端設(shè)置鋼梁拼裝場，預(yù)拼鋼梁桿件；在橋頭布置滑道，在滑道上拼裝鋼梁；安裝牽引設(shè)備，拖拉鋼梁至橋孔位置后，落梁就位。

圖2 下承式鋼桁梁總布置圖

3.2 方案二：中承式鋼管混凝土拱橋

方案二采用1-136m中承式鋼管混凝土拱橋。主拱采用等截面懸鏈線鋼管拱，拱軸系數(shù)為1.5，計算跨徑為136m，矢高27.2m，矢跨比1/5。橋面寬3.6m。

圖3 中承式鋼管混凝土拱橋總布置圖

拱肋斷面采用啞鈴形，高為1.5m，由上下兩根直徑為600mm，壁厚為12mm的鋼管組成，上下鋼管之間為40cm高腹板。拱肋之間的橫向風(fēng)撐采用外徑為400mm的空心鋼管，斜撐采用外徑為300mm的空心鋼管，橫撐鋼管壁厚為12mm，斜撐鋼管壁厚均為10mm。以此構(gòu)成縱向1道一字撐和6道K字撐。拱肋及橫向風(fēng)撐鋼結(jié)構(gòu)均采用Q345qC鋼材。

橋面系為縱鋪橋面板式，將橫梁設(shè)置于立柱上或吊桿下，然后縱向鋪設(shè)橋面板。吊桿橫梁和立柱蓋梁均為C40鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，與拱肋相連的橫梁采用鋼箱梁。

橋面板采用鋼筋混凝土小π梁，預(yù)制吊裝。π梁間，π梁與橫梁相交處通過縱橫向濕接縫及橋面10cm的后澆層連接成整體。全橋共設(shè)有12對吊桿，吊桿中心間距為8m。吊桿采用平行鋼絲索（標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1670MPa）。并考慮到后期的拆卸更換，吊桿下端應(yīng)做好防護(hù)措施，以免人為破壞。

拱上立柱采用鋼結(jié)構(gòu)。順橋向尺寸60m，橫向尺寸50cm。立柱與拱肋采用焊接鋼板連接。拱座基礎(chǔ)采用整體實心鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，支撐在微風(fēng)化的灰?guī)r上。

主拱采用纜索吊及斜拉扣掛法施工。

3.3 橋式方案比選

大橋跨越某江，受地形、通航凈空控制。方案一下承式簡支鋼桁梁結(jié)構(gòu)和方案二中承式鋼管混凝土拱橋，均能較好的滿足了航道通航需求。且在滿足通航要求的前提下，有效地降低了線路標(biāo)高。

從結(jié)構(gòu)上來講，中承式鋼管混凝土拱橋和簡支鋼桁梁橋相比，中承式鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)的用鋼量和桿件種類比鋼桁梁要少，給制造及安裝都帶來較大便利。但由于拱橋橋面系采用柔性吊桿懸吊，結(jié)構(gòu)的主要振型表現(xiàn)為面外橫彎和空間扭轉(zhuǎn)，縱橫向剛度明顯比鋼桁梁結(jié)構(gòu)較弱。此外，由于拱橋方案為推力結(jié)構(gòu)，受地質(zhì)影響較大，如地質(zhì)情況變化較大，可能對拱橋方案造價有較大的影響。

從施工方面來講，鋼桁梁橋采用半懸臂縱向拖拉施工方法，施工較為簡單，可不使用大型施工輔助設(shè)備，施工設(shè)施費用較少；而中承式鋼管混凝土拱橋需采用大型輔助設(shè)備纜索吊，且在吊裝過程中為保證拱肋吊裝的穩(wěn)定性，需設(shè)置纜風(fēng)索，增加了施工的難度和不穩(wěn)定性。

從景觀效果來講，拱橋是拱、索及梁的組合結(jié)構(gòu)，在江河上更顯橋梁宏偉壯觀，與梁橋相比拱橋更能更好與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，與環(huán)境形成一體。

從抗震的角度來講，拱橋由于自振周期較長，又有吊桿的作用，可以較大的緩解地震力的作用，與鋼桁梁結(jié)構(gòu)相比有著很大的優(yōu)勢。

從經(jīng)濟(jì)性比較來看，中承式鋼管混凝土拱橋造價為簡支鋼桁梁方案的0.82倍，具有明顯的經(jīng)濟(jì)性。綜合比較以上各項性能，該工程最終確定采用中承式鋼管混凝土拱橋方案。

4 結(jié)論

本文從設(shè)計角度闡述了大橋橋式方案的設(shè)計流程，并從施工、工程造價和景觀等方面對大橋的兩種可行性橋式方案進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明：

（1）兩種橋式方案從技術(shù)層面而言均可行，在施工難度和工程造價方面略有差異。

（2）簡支鋼桁梁方案的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)縱橫向剛度較強(qiáng)，且施工較為簡單。缺點為結(jié)構(gòu)用鋼量和桿件種類較多，造價略高。

（3）中承式鋼管混凝土拱橋方案的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)的用鋼量和桿件種類比鋼桁梁要少，給施工和制造帶來的較大的便利且造價較低。缺點為結(jié)構(gòu)的橫向剛度較弱。此外，該方案簡潔美觀，能較好地與周邊環(huán)境相融為一體，具有較好的景觀效果。綜上所述，推薦中承式鋼管混凝土拱橋方案作為設(shè)計的首選方案。

（4）本研究成果可以為專有線橋梁橋式方案的選擇提供一定的參考和依據(jù)。

[1]《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB50139－2004）[S].

[2]《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（TB10002.2-2005）[S].

[3]左家強(qiáng).太中銀鐵路中寧黃河特大橋橋式方案研究[J].鐵道工程學(xué)報，2013（12）：36～40.

[4]《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)范》（CECS28-2012）[S].

[5]嚴(yán)愛國.滬杭客運專線跨滬杭高速公路橋式方案研究[J].橋梁建設(shè)，2010（3）：59～62.